ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, năng lƣợng điện phục vụ đời sống của chúng ta nó đƣợc lấy từ nhiều nguồn khác nhau nhƣ: sức nƣớc, sức gió, từ ánh sáng mặt trời, từ năng lƣợng hạt nhân nguyên tử… Tuy nhiên không vì thế mà chúng ta sử dụng một cách lãng phí nguồn năng lƣợng đó đƣợc. Hiện nay trên thế giới đang có chiến dịch Giờ Trái đất đây là sáng kiến của Quỹ Quốc tế về bảo vệ thiên nhiên (WWF) khuyên các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh tắt đèn điện và các thiết bị điện không ảnh hƣởng lớn đến sinh hoạt trong một giờ đồng hồ vào lúc 8h30 đến 9h30 tối (giờ địa phƣơng) ngày thứ bảy cuối cùng của tháng ba hàng năm. Ý nghĩa của Chiến dịch Giờ Trái đất nhằm khuyến khích hành động xa hơn một giờ tắt đèn. Mỗi hành động nhỏ sẽ mang đến ý nghĩa lớn góp phần thay đổi nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trƣờng, tiết kiệm năng lƣợng, ứng phó với biến đổi khí hậu.Tính đến nay đã có khoảng 7000 thành phố thuộc 172 quốc gia và vùng lãnh thổ hƣởng ứng Chiến dịch.
Vì vậy, nhóm chọn đề tài “GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG CỦA MÔ HÌNH CÁC THIẾT BỊ TRONG MỘT XƢỞNG SẢN XUẤT SỬ DỤNG HỆ THỐNG IoT” để tiến hành giám sát khả năng tiêu thụ điện năng của các thiết bị điện trong một xƣởng sản xuất nhằm thực hiện chính sách tiết kiệm năng lƣợng cho một công ty, xí nghiệp… xa hơn là cho cả thế giới và thực hiện chiến dịch bảo vệ môi trƣờng. Đề tài thực hiện bằng việc cập nhật thông tin dữ liệu từ cảm biến dòng ACS712 theo từng khoảng thời gian quy định đƣa về cho hệ thống khối xử lý trung tâm Module wifi ESP8266, truyền lên webserver sử dụng ngôn ngữ Nodejs để lập trình cho webserver tiến hành phân tích và vẽ biểu đồ về năng lƣợng điện tiêu thụ của các thiết bị đó. Từ việc nhận đƣợc kết quả từ biểu đồ chúng ta có thể đƣa ra các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng một cách tốt nhất. Có thể cho hệ thống cảnh báo các trƣờng hợp thiết bị sử dụng quá giới hạn điện năng quy định.
PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 1 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG 1. MỤC TIÊU Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Nodejs để lập trình cho webserver. Tìm hiểu về phần cứng của module wifi ESP8266, cách lập trình và nạp chƣơng trình cho module. Thi công mô hình một xƣởng sản xuất.
Kiểm tra tính ổn định hoạt động của mạch. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Thiết kế và thi công mô hình mạch. Tính toán chọn linh kiện phù hợp cho mạch, và các động cơ cần thiết cho mô hình. Khảo sát các hệ thống và lắp đặt thiết bị trong một xƣởng sản xuất rồi lắp đặt thiết bị cho phù hợp.
Xây dựng mô hình và thiết lập sơ đồ khối cho toàn bộ hệ thống. Thiết kế và khảo sát mạch nguyên lý. Tính toán chọn linh kiện thực nghiệm. Thi công mô hình thực nghiệm.
Lập trình webserver để nhận dữ liệu và cập nhật dữ liệu. Kiểm tra, hiệu chỉnh mô hình. Viết luận văn tốt nghiệp. GIỚI HẠN Một số giới hạn của đề tài nhƣ là: Mô hình xƣởng sản xuất có kích thƣớc là một hình vuông 50cm.
Mô hình xƣởng chỉ sử dụng hai động cơ để đo công suất. Động cơ xoay chiều có công suất thấp nhƣ: nồi cơm điện Kim Cƣơng 0.6 lít, 350W, bình đun nƣớc siêu tốc 1. Sử dụng cảm biến dòng ACS712 có giới hạn đo là 20A. BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng Quan PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG Trong chƣơng này sẽ giới thiệu về tổng quan, lý do chọn đề tài, các nội dung sẽ đƣợc nghiên cứu thực hiện trong đề tài.
Một số hạn chế trong quá trình thực hiện đề tài và bố cục sẽ thực hiện trong quá trình thực hiện đề tài. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chƣơng sẽ dựa vào các lý thuyết tính toán công suất đã học để tính toán giá trị công suất của thiết bị. Tìm hiểu lý thuyết(các thông số cơ bản, nguyên lý hoạt động, sơ đồ cấu trúc của module…) cũng nhƣ cách kết nối của các module và thiết bị liên quan trong đề tài.
Chƣơng 3: Tính Toán và Thiết Kế. Tiến hành thiết kế sơ đồ khối của toàn mạch, tính toán chọn linh kiện cho các khối chức năng nhƣ là: khối nguồn, kết nối mạch với khối điều khiển trung tâm, chọn linh kiện cho khối cảnh báo chuông. Sau đó sử dụng phần mềm Proteus vẽ mạch nguyên lý hoàn chỉnh. Chƣơng 4: Thi Công Hệ Thống.
Chƣơng sẽ đƣa ra kết quả thi công của mạch điều khiển, kết quả thực hiện của toàn đề tài. Nêu ra các lƣu đồ giải thuật, giải thích các lƣu đồ, giới thiệu phần mềm lập trình cho vi điều khiển cũng nhƣ lập trình webserver. Viết tài liệu hƣớng dẫn sử dụng cho cả hệ thống. Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Tiến hành tổng kết lại những gì đã đạt đƣợc trong thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, kết quả sai số, tính ổn định của hệ thống.
Chƣơng 6: Kết Luận và Hƣớng Phát Triển Kết luận về phần trăm đạt đƣợc của đề tài và hƣớng phát triển của đề tài. PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG Chƣơng 2. CÁCH TÍNH ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ CỦA ĐỘNG CƠ. Công suất điện của một động cơ là công suất tiêu thụ điện năng của động cơ đó và có trị số bằng điện năng mà động cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian.
Hoặc bằng tích hiệu điện thế cấp vào cho động cơ và cƣờng độ dòng điện chạy qua động cơ đó: (2.1) Trong đó: P: là công suất của động cơ(đơn vị: kW hoặc W) A: điện năng tiêu thụ của động cơ. t: là thời gian động cơ hoạt động(đơn vị: h). U: là hiệu điện thế nguồn cấp vào(đơn vị: V). I: là dòng điện nguồn vào(đơn vị: A).
Vì vậy, điện năng tiêu thụ của động cơ đƣợc tính theo công thức.2) Ví dụ: Một động cơ điện gia dụng trong nhà chúng ta nhƣ máy điều hòa. Thì hiện nay các sản phẩm thiết bị điện gia dụng hiện nay đang đƣợc lƣu thông trên thị trƣờng đều bắt buộc phải ghi những thông số kỹ thuật nhƣ công suất tiêu thụ, số seri, nơi sản xuất, dòng điện định mức …. Thông qua những chỉ số này ngƣời sử dụng có thể dễ dàng tính đƣợc lƣợng điện năng tiêu thụ của thiết bị đó trong một tháng PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG Hình 2. Hình thông số kỹ thuật của một máy điều hòa.
Theo nhƣ thông số kỹ thuật của một máy điều hòa nhƣ trên thì chúng ta có thể tính điện năng tiêu thụ của sản phẩm trong vòng một ngày nhƣ sau: - Công suất của máy điều hòa: 1200W = 1,2kW - Thời gian hoạt động cho trung bình là: 10h. Lƣợng điện năng tiêu thụ trong một ngày là: A = 1,2 x 10 = 12kWh Từ tính toán trên chúng ta có thể tính toán khả năng tiêu thụ điện năng của từng thiết bị trong vòng một tháng. Từ đó, đƣa ra những giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho gia đình, xa hơn là cho công ty, xí nghiệp và cho cả nƣớc. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG.
Khảo sát Module Wifi ESP8266 ESP8266 là một chip tích hợp cao - System on Chip (SoC), có khả năng xử lý và lƣu trữ tốt, cung cấp khả năng vƣợt trội để trang bị thêm tính năng wifi cho các hệ thống khác hoặc đóng vai trò nhƣ một giải pháp độc lập. Module Wifi ESP8266 cung cấp khả năng kết nối mạng wifi đầy đủ và khép kín, bạn có thể sử dụng nó để tạo một web server đơn giản hoặc sử dụng nhƣ một access point. PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG Hình 2. Hình Module Wifi ESP8266.
a) Các thông số kỹ thuật ESP8266 Wifi 802.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2 Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point Hỗ trợ các chuẩn bảo mật nhƣ: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể đƣợc sử dụng nhƣ là bộ vi xử lý ứng dụng SDIO 1.0, SPI, UART Làm việc nhƣ các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con. b) Sơ đồ chân của ESP8266 Hình 2. Hình sơ đồ chân của ESP8266. PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG URXD(RX): dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển.
UTXD (TX): dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển. VCC: đầu vào 3.3V GPIO 0: kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader RST: chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset GPIO 2: thƣờng đƣợc dùng nhƣ một cổng TX trong giao tiếp UART để debug lỗi CH_PD: kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module, nối với mức cao GND: nối với mass c) Các tập lệnh AT của ESP8266 Bảng 2. Các lệnh AT chung. AT Kiểm tra lệnh luôn trả về “OK” AT + RST Khởi động lại module AT + GMR Truy vấn phiên bản Firmware Bảng 2.
Các lệnh AT để cấu hình Module Wifi 1 = station 2 = AT + CWMODE Cài đặt chế độ Access Point 3 AT + CWMODE = 1 = <mode> = Both AT + Truy vấn chế độ AT + CWMODE? CWMODE? cài đặt AT + Truy vấn các chế AT + CWMODE? CWMODE? độ có thể cài đặt 0 = 1 kênh kết AT + CIPMUX = Cài đặt số lƣợng nối 1 = nhiều AT + CIPMUX = 1 <mode> các kênh kết nối kênh kết nối PHẠM NGỌC ANH – TRẦN THANH DUY 7 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG Cài đặt chế độ 0 = transparent AT + CIPMODE AT + CIPMODE = 1 dữ liệu 1 = data Truy vấn chế độ AT + CIPMODE AT + CIPMODE? dữ liệu cài đặt Bảng 2. Các lệnh AT với Module Wifi cấu hình là station/client AT + CWJAP = AT + CWJAP = Kết nối với một mạng wifi <ssid>,<password> “MLAB”,”1235678” Truy vấn mạng wifi đang AT + CWJAP? AT + CWJAP? kết nối.